高中化學教科書中科學方法的內容分析與改進

楊美華 孫影 朱宸 孫永輝

摘? ? ? 要：構建化學教科書中科學方法的內容分析框架，采用質性內容分析法，從科學方法的選擇、組織及呈現三個方面分析教科書中科學方法內容的特點，以期引起化學教師對科學方法教育的重視，獲得關于高中化學教學中科學方法教育的改進建議。

關 鍵 詞：高中化學? 必修教科書? 科學方法? 內容分析

引用格式：楊美華，孫影，朱宸，等.高中化學教科書中科學方法的內容分析與改進[J].教學與管理，2023（19）：62-66.

化學教科書是化學教學的重要媒介，化學教科書中關于科學方法的內容描述了化學知識獲得與應用的過程，其對科學方法與化學知識關系的理解影響著教師的教育觀念與教學行為。針對當前化學教學實踐中科學方法教育的無意識和邊緣化嚴重[1，2]，本研究試圖構建化學教科書科學方法分析框架，對2019年人民教育出版社出版的普通高中教科書·化學·必修（第一冊）和普通高中教科書·化學·必修（第二冊）（以下簡稱教科書）中的科學方法內容進行分析，挖掘其中的科學方法內容，分析其組織和呈現特點。

一、科學方法的內涵

科學方法是人們在認識和改造客觀世界的實踐活動中形成的有效規則、方式、手段、途徑或模式，是科學活動經驗升華、程序化、規范化、強化的結果，是科學活動的有效工具[3]。作為獲取化學知識和運用化學知識解決問題的有力工具，科學方法已經成為化學教科書內容系統的一部分[4]。

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱課程標準）在課程理念中強調學生不僅要學習化學的基本原理，還要學習研究化學的科學方法[5]。課程標準在必修階段的課程內容中對科學方法的說明包括兩個方面：一方面是掌握科學探究的一般思路，在面對化學問題時能夠據此思路解決問題，探索新知識；另一方面是研究、學習化學的具體科學方法，這些科學方法是學生探索物質結構、變化、性質及其規律必備的思維方式和實踐方法，如觀察法、實驗法、分類法、歸納法等。基于課程標準對科學方法的要求，根據科學認識活動的特點，將科學方法分為科學實踐方法和科學思維方法。科學實踐方法主要包括觀察法、實驗法、調查法；科學思維方法主要包括比較法、分類法、分析法、綜合法、歸納法、演繹法、假說法、數學法和模型法等。

二、高中化學教科書中科學方法內容的分析方法

1.分析框架的構建

根據畢華林教授提出的教科書設計理論，厘清教科書功能、內容、結構之間的關系，如圖1所示[6，7]。根據系統論的觀點，教科書的內容是功能和結構的核心[8，9]。作為教科書內容之一的科學方法，主要從科學方法內容的選擇、組織及呈現三個相互聯系的維度分析。

（1）科學方法的選擇

教科書中科學方法的種類在一定程度上反映了教科書編寫者認為必修階段學生需要掌握哪些科學方法。具體科學方法出現的頻次在一定程度上反映了具體科學方法在高中化學階段的重要程度，故科學方法的選擇維度主要分析教科書中科學方法出現的頻次和種類。

（2）科學方法的組織

科學方法是對“如何由一種（或幾種）化學知識（或現象）獲得另外一種（或幾種）化學知識”的描述。因此，科學方法與知識的編排順序體現了教科書編寫者如何處理科學方法與化學知識獲得和應用之間的關系，在一定程度上反映了教科書編寫者的科學觀，科學方法與知識的編排順序即教科書中科學方法的組織。根據畢華林教授的觀點，教科書中的知識可分為事實性知識（如鈉的保存、碳酸鈉和碳酸氫鈉的性質）、理論性知識（如原子結構、元素周期律）、技能性知識（如配置一定物質的量濃度的溶液、離子方程式的書寫）和情意類知識（如實驗安全）[10]。分析教科書科學方法內容要關注科學方法與各類知識的編排順序，評估教科書對化學知識和科學方法的編排順序是否主要按照科學方法的邏輯設計。

（3）科學方法的呈現

教科書在呈現科學方法時，其體現方式是不同的，根據陳運保的研究，教科書體現科學方法有以下四種體現方式：滲透使用、命名、講解和組織使用。滲透使用是指教科書講解化學知識時滲透某種科學方法，但未出現其名稱和解釋說明。例如必修第一冊第16頁，呈現鹽酸、硫酸和硝酸的電離方程式后從電離的角度歸納酸的特點，但是沒有出現“歸納”。命名是指教科書的文字陳述中明確給出該種科學方法的名稱。一般情況下，教科書出現該科學方法的名稱就是在使用該科學方法，而如果沒有組織學生使用該科學方法就是滲透使用。因此教科書經常同時體現命名和滲透使用、命名和組織使用。例如必修第一冊第8頁，“我們可以根據分散質粒子的直徑大小對分散系進行分類?！背霈F了“分類”二字，同時，教科書使用分類法對分散系進行了分類，因此體現科學方法的方式是命名和滲透使用。講解是指教科書解釋或講解某種科學方法。如解釋科學方法的內涵、總結其特點、給出一般性定義、舉例說明、給出使用注意事項等，以便于學生理解和掌握。例如必修第一冊第8頁“方法導引”欄目對分類法進行了解釋說明。組織使用是指教科書組織學生使用科學方法解決問題或訓練學生掌握某種方法。例如必修第一冊第10頁“思考與討論”欄目，教科書歸納了酸的主要化學性質之后組織學生歸納堿和鹽的主要化學性質。這些方式及其組合表現出的科學方法顯性化水平是不同的，將它們分為表1所示的4個水平層次[11]。

從課程目標的達成和教科書的功能出發，教科書應該根據不同的課程內容采用相應的呈現方式。教科書內容的呈現方式涵蓋“任務及活動呈現方式”和“內容表達形式”兩個方面[12]。在任務及活動呈現方式上主要有直接陳述和陳述附加活動任務兩種方式：直接陳述是通過文字直接顯示科學方法的名稱或者根據科學方法的內在邏輯陳述知識；陳述附加活動任務是文字陳述的同時附加討論、實驗、調查等活動、任務。在內容表達形式上，分為單獨文字表達（記為“文字”）和混合表達形式，有文字和圖片；文字和表格；文字、圖片和表格。

基于以上分析，確定化學教科書中科學方法的分析框架，見表2。

2.分析框架效度和評分者間信度的評估

邀請多位課程與教學論專家及研究科學方法教育的研究者評估分析框架，據此修改并最終確定分析框架。經評估，多數專家認為分析框架在一定程度上有利于引起教科書使用者對教科書中科學方法內容的重視，并從多個角度認識其中的科學方法，從而促進科學方法教育。

選取教科書某一分析單元，3名研究者閱讀分析框架的形成過程，以及分析示例和各種科學方法的邏輯特點，獨立分析，經過對表2中5個項目（知識類型、名稱、顯性化水平、任務及活動呈現方式、內容表達形式）的一致性檢驗，評分者間信度為0.91，說明該框架基本可用于教科書科學方法內容分析。

三、高中化學教科書中科學方法內容的分析結果

1.科學方法的選擇維度

經過梳理，匯總了教科書中各科學方法出現的頻次及比例，具體見表3。

從科學方法的種類上看，課程標準在必修階段要求的實驗法、分析法、假說法、模型法、比較法、分類法等科學方法在教科書中都有呈現，符合課程標準的要求。教科書在科學方法的選擇上有以下特征：各科學方法在教科書中出現的頻次差別較大，整體上科學思維方法的頻次遠大于科學實踐方法；科學方法內容緊跟時代發展，進入信息時代的教科書要求學生查閱資料獲取化學知識及其在生活、生產中的應用的調查法增多，如調查純堿的生產歷史、測量食品中鐵元素的方法、各個地區雨水的pH等，可以看出教科書越來越重視培養學生收集、整理、運用信息的能力；教科書缺乏直覺、想象等有利于培養學生創造性思維的科學方法，這些科學方法雖無明確的邏輯推理過程，卻潛在地影響化學學習和研究進程。

2.科學方法的組織維度

在教科書中以適當的順序組織科學方法與化學知識，有可能實現化學知識的編寫順序、學生認識化學的過程、能力培養過程與化學教學過程的有機統一[13]。通過對教科書中科學方法與化學知識編排順序的定性分析和總結，可以理出科學方法與化學知識的組織，如圖2所示。運用科學方法獲取化學事實性知識、理論性知識，在此過程中發展學生的技能性知識和情意類知識；掌握事實性知識或理論性知識之后，通過科學方法解決問題或者探索新知識，了解其社會生活和生產中意義，培養學生的科學態度和社會責任感。

以教科書中元素周期律內容為例分析科學方法與各種化學知識的組織（如圖3）。教科書編寫ⅠA族、ⅦA族及第三周期元素性質時，列舉了原子結構信息（理論性知識），引導學生從核外電子層數、最外層電子數、原子半徑等幾個方面分析原子結構，比較他們的異同，歸納、總結原子結構變化規律。以此預測所含元素單質的性質（待驗證的事實性知識），經實驗法和教科書補充的事實性知識驗證預測得到事實性知識，最后通過科學思維方法得出同主族或同周期元素的性質。教科書中科學方法內容的組織幫助學生從認識單個元素、物質的性質上升到一類元素、物質的性質的相似性和遞變性，循序漸進地掌握元素周期律這一理論性知識，同時幫助學生在活動中獲得實驗、收集、整理信息等技能性知識，并在探索元素周期律的過程中感受原子、物質共性與個性的和諧統一。

3.科學方法的呈現維度

教科書中科學方法的呈現維度包括科學方法的顯性化水平，與科學方法有關的任務及活動呈現方式，科學方法的內容表達形式。

（1）科學方法的顯性化水平

教科書中科學方法的呈現有顯性和隱性之分。根據教科書呈現科學方法的內容，可將其分為4個水平。從水平1到水平4，科學方法在教科書中呈現的內容逐漸豐富，顯性化程度逐漸升高。對教科書中科學方法內容的顯性化水平統計結果如圖4所示。

由圖4可知，教科書中的科學方法大多隱性呈現，即教科書沒有陳述相關科學方法的名稱，也沒有對其進行解釋說明，只是按照科學方法的邏輯呈現化學知識（滲透使用）或組織學生使用科學方法完成活動、任務以獲取化學知識（組織使用）。雖然學生在參與活動、完成任務的過程中無意識地使用了科學方法，但是學生并不明確自己是否使用了科學方法、使用的是何種科學方法、如何使用相應科學方法，學生的這種無意識嚴重影響科學方法的遷移。教科書比較重視科學方法的使用，因此水平4在給出名稱的基礎上在活動、任務中組織學生使用相關科學方法占比僅次于水平1。相對于科學思維方法，科學實踐方法的顯性化水平較高，這與它們多數以陳述附加活動的呈現方式有關。科學思維方法更多隱藏在文字和編寫邏輯中，學生在使用教科書時，不知不覺已經進入教科書的科學方法邏輯。

（2）科學方法的任務及活動呈現方式

教科書與科學方法相關的任務及活動呈現方式中直接陳述占78%，陳述附加活動占22%。教科書科學方法主要滲透于教科書的陳述邏輯中。教科書設置了豐富的功能性欄目，其中許多欄目中的任務和活動中都包含了豐富的、顯性化水平較高的科學方法。如“實驗”“信息搜索”欄目主要涉及了實驗法、調查法等科學實踐方法；“探究”“實驗活動”“研究與實踐”欄目既涉及實驗法、調查法等科學實踐方法，也涉及分析法、綜合法、分類法、比較法、模型法等科學思維方法；“思考與討論”“整理與提升”欄目主要涉及比較法、分類法、歸納法、綜合法等科學思維方法。

（3）科學方法的內容表達形式

教科書中科學方法內容的各種表達形式占比如圖5。文字表達是教科書內容表達的最主要形式，相比其他內容，科學方法的表達形式比較豐富：文字和圖片混合的形式占比很高，例如實驗法中有實驗過程陳述，同時提供實驗裝置圖或者實驗現象圖，便于學生展開實驗、獲取事實材料；綜合法在文字說明的同時多用示意圖引導學生構建知識體系；模型法通常利用物理模型或者幾何圖形輔以文字說明微粒的微觀結構；文字和表格混合的形式多用于呈現實驗法和歸納法、比較法中，通過表格記錄實驗現象，整理實驗結論，歸納出化學規律；文字、圖片和表格三種形式混合的表達形式主要存在于教科書的“探究”欄目中，涉及的科學方法比較豐富。

綜上，教科書科學方法內容有以下特點：第一，科學方法內容的選擇基本符合課程標準的要求，但是各種科學方法的比例失衡，且缺乏富有創造性的直覺、想象等非邏輯性方法；第二，科學方法的組織主要存在于獲得化學知識過程中、化學知識與問題解決之間、化學知識與新知識之間，基本符合科學方法與知識一源同體的關系，但是科學方法與知識的關系在教科書中的組織脈絡不夠清晰，可能影響教師對科學方法即知識獲得過程的理解[14]；第三，科學方法內容的顯性化處理已經得到教科書編寫者的重視，科學方法編排于化學知識的陳述邏輯和各種任務性欄目中，且內容表達形式豐富，教科書多處可見通過文字、圖片、表格的混合表達引導學生在活動中使用科學方法。

四、高中化學教科書中科學方法內容的改進建議

1.增加教科書科學方法的內容

教科書可以適當增加非邏輯性科學方法，如直覺、想象，以使教科書使用者了解學習和研究化學需要創造性思維。教科書有必要豐富科學方法的呈現，如組織使用觀察法時提供觀察指導，組織使用調查法時提供相應的網址，組織使用科學思維方法時增加示意圖、表格等表達形式展現相應科學方法的邏輯。對于重要的科學思維方法可以適當增加篇幅說明解釋，讓學生更清楚思考問題的思路。

2.平衡科學實踐方法與科學思維方法

教科書中科學思維方法出現的頻次遠大于科學實踐方法，但這并不代表在教學中科學思維方法教育比科學實踐方法更重要，兩者是相輔相成的。高中生缺乏科學實踐活動的經驗，且抽象思維能力處于發展階段，相比之下形象思維比較成熟，因此有必要讓學生親歷具體的科學過程，挖掘教科書中“探究”“實驗活動”“研究與實踐”等欄目中的科學方法內容，充分發揮其訓練科學實踐方法，提升學生運用科學方法解決問題的能力的作用。

3.顯化科學方法設計教學

對于課程標準中所要求的科學方法，教師在教學中可以參考教科書中科學方法的組織規律顯化處理，讓學生利用科學方法探索化學知識、解決問題，感受化學知識體系、研究活動和社會建制的三維世界[15]。顯化處理可以從以下兩點努力：一是豐富科學方法信息，在運用科學方法時介紹其名稱，解釋其規則或發展過程，以彌補教科書中科學方法呈現的不足；二是采用多樣化的表達方式，根據各種科學方法的特點選擇適當的表達方式，如在比較法、歸納法教學中妙用表格，在分析法、分類法、綜合法教學中善用示意圖，在實驗法、觀察法、模型法教學中選用實物，圖片。此外，無論是教科書還是化學教學，顯化科學方法切忌把科學方法作為一個個知識點教給學生，而應結合具體化學課程內容和教學情境，讓學生去體驗，去領悟，去提煉。

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【責任編輯? 郭振玲】